Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фильтрация сигналов и согласование нагрузок. Учебное пособие
.pdf
6.1.ШТЛскоэффициентомтрансформации1:2
диапазон частот, в котором возможно использование такого трансформатора-фазоинвертора, невелик.
Сопротивление индуктивности можно увеличить, намотав отрезок линии на ферритовое кольцо с проницаемостью μ. При этом, как
минимум, в μ раз увеличится величина индуктивности L (строго говоря, нужно еще учитывать число витков) и соответственно уменьшится частота ср (рис. 6.7).
R =W
г
e
1
~
R =W
н
U
н
U /U
н н max
1
0,707
Отрезок без кольца
w
Отрезок намотан на кольцо
w
ср
w
ср
Рис. 6.7. Улучшение АЧХ трансформатора-фазоинвертора,
намотанного на ферритовое кольцо
Таким образом, можно назвать данное устройство широкополосным трансформатором на отрезке линии (ШТЛ).
6.1. ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:2
Для создания ШТЛ с трансформацией 1:2 используют два отрезка линий, включенных слева параллельно, а справа последовательно
(рис. 6.8).
91
6.Широкополосныетрансформаторынаотрезкахлиний
U =U
jl
нвх
2
.
вн
/100
пр
W
U =U
пр
W
2U
U
R =2W
н
U
e
1
~
R =W/2
г
U
Рис. 6.8. Схема ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:2
Фазовые сдвиги на рис. 6.8 не показаны. Понятно, что в таком виде
трансформатор работать не будет из-за шунтирования источника сигнала индуктивностями отрезков верхней линии. Чтобы ШТЛ стал работоспособным, необходимо намотать отрезок верхней линии на ферритовое кольцо (рис. 6.9). При одинаковой длине l верхнего
и нижнего отрезков под продольным напряжением U находится только центральная жила и оплетка отрезка верхней линии. Отрезок нижней линии служит только для того, чтобы доставить к выходным за-
жимам напряжение
При этом выходные напряжения
e
верхней и нижней линий совпадают по фазе и суммируются арифметически. Нижнюю линию называют фазирующей линией (ФЛ). Такой ШТЛ легко обеспечивает плоскую АЧХ с коэффициентом перекрытия по частоте
и более.
Рис. 6.9. ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:2 с намоткой верхней линии
92
e
1
~
R =W/2
г
U
U
U =U
пр н
вх
вх
ФЛ
на ферритовом кольце
W; l
W; l
U =U
пр н
U
U
2U
н
н
R =2W
н
н
6.2.ШТЛскоэффициентомтрансформации1:3
2U
R =W/3
6.2. ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:3
Если использовать три отрезка линий, можно создать ШТЛ с коэффициентом трансформации по напряжению 1:3 (рис. 6.10). Однако
линии этого ШТЛ находятся под разными продольными напряжениями. Действительно, как следует из рис. 6.10, к проводникам верхней
линии приложено продольное напряжение 2U, а к проводникам средней — U, что накладывает определенные ограничения на конструктивное исполнение ШТЛ. Если линии наматываются на одном сердечнике (кольце), то число витков должно быть строго пропорциональным
продольным напряжениям.
г
2U
e
Рис. 6.10. ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:3
U
1
~
U
U
W
W
W
3U
U
U
U
R =3W
н
Если на кольцо верхняя линия наматывается полностью, то средняя — наполовину. Конструкция ШТЛ (рис. 6.11) состоит при этом
из двух фазирующих линий (ФЛ1, ФЛ2) и двух линий (с числом витков,
отличающимся вдвое), намотанных на ферритовый сердечник. Верхняя линия полностью намотана на сердечник (условно показано четыре витка). Средняя линия частично намотана на сердечник (условно показано два витка), а частично выполнена вне сердечника в виде
ФЛ2. Все линии должны быть одинаковой длины, чтобы напряжения
на выходе совпадали по фазе.
Сравним ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:3 с обычным низкочастотным автотрансформатором 1:3, также выполненным на магнитопроводе (рис. 6.12).
Такой автотрансформатор состоит из трех одинаковых обмоток,
включенных последовательно и намотанных на одном сердечнике.
К каждой из обмоток приложено напряжение U. Нижняя граничная
частота ср так же, как в трансформаторе-фазоинверторе, определяет-
93
6.Широкополосныетрансформаторынаотрезкахлиний
W; l
3U
ся значением индуктивности намагничивания, приведенной ко входу
автотрансформатора, то есть числом витков одной обмотки, проницаемостью магнитопровода и его сечением.
W/3
W; l
~
ФЛ2
3W
ФЛ1
W; l
Рис. 6.11. Конструктивная реализация ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:3
9R
R
e
1
~
Рис. 6.12. Низкочастотный автотрансформатор 1:3
U
U
U
Для того чтобы нижняя граничная частота ср трансформатора
на линиях (рис. 6.11 и 6.12) совпадала с нижней граничной частотой
автотрансформатора, необходимо при одинаковых магнитопроводах
достичь совпадения числа витков средней линии (рис. 6.11) и числа
витков одной обмотки автотрансформатора. При одинаковых магнитопроводах на кольце для ШТЛ 1:3 удастся разместить меньшее число витков, следовательно, получится меньшее значение индуктивности намагничивания и более высокое значение нижней граничной
частоты ср по сравнению с автотрансформатором 1:3.
94
6.2.ШТЛскоэффициентомтрансформации1:3
вн
/;1000
Например, пусть в автотрансформаторе (рис. 6.12) число витков
нижней обмотки, обеспечивающее требуемое значение нижней граничной частоты ср, равно двум, тогда общее число витков автотрансформатора равно шести и эти шесть витков равномерно заполняют поверхность кольца (большее число витков не уложить). При выполнении
трансформатора ШТЛ 1:3 только средняя линия занимает место четырех витков (оплетка и центральный проводник или два проводника
двухпроводной линии, если трансформатор выполняется не на отрезках коаксиальных линий). Верхняя линия ШТЛ 1:3 должна содержать
по этим же соображениям восемь витков. Итого 12 витков, что в два
раза больше, чем число витков автотрансформатора, поэтому на поверхности такого же кольца размещены быть не могут. Следовательно, в ШТЛ 1:3 нужно уменьшать число витков с двух до одного — соответственно уменьшится ср.
Идею, реализованную на рис. 6.11, для ШТЛ 1:3 можно обобщить
для ШТЛ с любым целочисленным коэффициентом трансформации
1: n (n — число линий). Однако не следует пытаться реализовать ШТЛ
с коэффициентом трансформации более четырех, так как неоднородности последовательно и параллельно соединенных линий, как правило, сильно исказят передаточные характеристики ШТЛ.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
§ в обмоточных трансформаторах такие паразитные элементы,
как межобмоточная емкость и индуктивности рассеяния, ограничивают полосу рабочих частот сверху, а в трансформаторах типа ШТЛ они определяют волновые сопротивления линий и при согласованном включении последних ограничения
сверху (если не учитывать неоднородностей соединения линий)
нет. В ШТЛ легко получить коэффициент перекрытия по частоте
§ однако число обмоток на сердечнике у ШТЛ существенно больше, чем у обмоточного трансформатора, что препятствует расширению полосы в область нижних частот. Действительно, для
создания обмоточного автотрансформатора с коэффициентом
трансформации 1:3 необходимо на кольцо намотать три обмотки с напряжением на каждой из них U. ШТЛ с коэффициентом
трансформации 1:3 (см. рис. 6.10–6.11) содержит шесть обмоток (в верхней линии две обмотки с напряжениями 2U и в средней линии две обмотки с напряжением U).
95
6.Широкополосныетрансформаторынаотрезкахлиний
6.3. ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации
Создать ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации
(рис. 6.13) можно, включив последовательно ШТЛ с коэффициентами трансформации 1: n1 и n2:1.
~
Рис. 6.13. Способ создания ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации
ШТЛ
1:n
1
ШТЛ
n :1
2
Коэффициент трансформации такого трансформатора будет n1: n2,
количество линий будет равно сумме (n
), и для его изготовления
1+n2
потребуется два ферритовых кольца. АЧХ в области нижних частот
у такого ШТЛ будет хуже, чем у составляющих.
Более экономный способ создания ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации описан в работе [17]. На рис. 6.14 показан ШТЛ
с коэффициентом трансформации 1:1,5. Интересно отметить, что средняя и верхняя линии находятся под одинаковыми продольными напряжениями U/2, поэтому они могут быть намотаны на одном кольце и содержать одинаковое число витков.
R =2W/3
г
U
e
1
U/2
U/2
U/2
U/2
W
W
1,5U
U
R =1,5W
н
~
W
U/2
Рис. 6.14. ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:1,5
Во всех рассмотренных выше ШТЛ присутствуют ФЛ. У обмоточных трансформаторов, которые также могут наматываться на ферритовые кольца, ФЛ отсутствуют.
96
6.4.ШТЛбезфазокомпенсирующихлиний
jl
выхвх
2
.
2
jl
.
2
.
lа
c
l
a
arccos
,
6.4. ШТЛ без фазокомпенсирующих линий
У радиолюбителей немедленно возникло рацпредложение: вообще
выкинуть нижнюю линию, то есть выполнить ШТЛ без ФЛ (рис. 6.15).
U =U
пр вх
W; l
U
вх
Рис. 6.15. ШТЛ без ФЛ
e
1
R =W/2
г
~
Теперь на выходе суммируются два несинфазных напряжения: вх
e
и
Что же произойдет при этом? Если длина отрезка линии l ШТЛ
окажется равной
то фаза напряжения U
U =U
пр вых
U
U
U =U +U
н вх вых
вых
вх
R =2W
н
будет равна фазово-
вых
му сдвигу
180l
и напряжение на выходе такого ШТЛ будет
равно нулю. Поскольку в ШТЛ длина линии l, как правило, не превышает
фазовый сдвиг j между суммируемыми напряжениями со-
ставит не более 36° (рис. 6.16).
С помощью рис. 6.16 легко вычислить значение напряжения U
нвх
Здесь в соответствии с рисунком
В формуле (6.2) приравняв
2cos
s
le
(6.2)
l
к заданному уровню, напри-
:
н
мер а = 0,707, получим значение верхней частоты полосы пропускания такого трансформатора:
f
в
где с — скорость света 3·10 8 м/с; l — длина отрезка линии, м.
97
6.Широкополосныетрансформаторынаотрезкахлиний
Гц или 750 МГц
01
4
8
,
U
j
U
вх
вых
U
j/2
j/2
н
Рис. 6.16. Векторная диаграмма характеристик напряжения на нагрузке U
н
При а = 0,707 и, например, длине отрезка линии l = 0,1 м получим:
43
310
f
в
/
10 75010
86
.
АЧХ такого трансформатора приведена на рис. 6.17.
U /U
н н max
1
0,707
5002500
Рис. 6.17. АЧХ трансформатора 1:2 без ФЛ при длине отрезка линии l = 10 см
750
f, МГц
Для того чтобы улучшить характеристики ШТЛ в области нижних частот, необходимо уменьшить число обмоток, находящихся под
продольным напряжением. Способ решить эту задачу найден в работе [17]. Данное решение иллюстрируется схемой ШТЛ с коэффициентом трансформации 1:4 (рис. 6.18).
На рис. 6.18, а, б, в показан вариант ШТЛ 1:4 на двухпроводных ли-
ниях минимальной длины, на рис. 6.18, г, д, е — его реализация на ко-
аксиальных линиях. Фрагмент рис. 6.18, а, содержащий линии Л1 и Л4,
идентичен ШТЛ 1:2, изображенному на рис. 6.8 и 6.9. Нагрузкой такого ШТЛ должно быть сопротивление 2W. Соответственно данный
98
1 2
а
W/4
6.4.ШТЛбезфазокомпенсирующихлиний
U
U
U
пр
l l l
Л1 Л2 Л3
W
2U
U
пр
2W
3U
U
пр
3W
4U
4W
l
Л4
U
W
2l
Л5
U
W
3l
Л6
U
W
б
U
U
пр
2U
W 2W 3W
W/4
Л7 Л8 Л9
в
U
W/3
U
пр
2U
W 2W 3W
W/4
г
U
1 2
2U
W/4
д е
U
W/4
U
1
2
3
4W
W/4
4W
U
пр
W/2
U
пр
3U
3
3U
3U
4U
U
U
4W
пр
4U
4W
W
пр
4U
4W
U
1
2
3
Рис. 6.18. Преобразования ШТЛ 1:4:
а — исходная схема; б — схема после объединения эквипотенциальных отрезков линий;
в — схема после исключения фазокомпенсирующих линий; г — предыдущая схема, выпол-
неная на коаксиальных линиях; д — схема после объединения эквипотенциальных оплеток;
е — ШТЛ на ферритовом кольце
99
6.Широкополосныетрансформаторынаотрезкахлиний
фрагмент нагружен на линию Л2 с волновым сопротивлением 2W, напряжение на входе которой равно 2U. Аналогичным образом на стыке, определяемом вертикальной штриховой линией 2 суммируются напряжения 2U с выхода линии Л2 и напряжение U с выхода линии Л5.
Напряжение на входе линии Л3 равно 3U, а ее волновое сопротивление равно 3W. Линия Л5 доставляет напряжение U с фазовой задержкой равной сумме фазовых задержек в основных линиях (Л1, Л2, Л3)
к выходу ШТЛ. Выходное напряжение ШТЛ равно 4U. В этом варианте использовано всего три линии, которые находятся под продольным напряжением UПР = U. Для сравнения ШТЛ 1:4, выполненный
по схеме, аналогичной на рис. 6.10, содержал бы верхнюю линию под
продольным напряжением 3U, затем линии под напряжением 2U и под
напряжением U.
Для сравнения:
§ низкочастотный автотрансформатор 1:4 содержит четыре обмотки;
§ ШТЛ 1:4 на рис. 6.18, а — шесть обмоток;
§ ШТЛ 1:4 по схеме, аналогичной рис. 6.10, — одиннадцать об-
моток.
Дальнейшее упрощение схемы ШТЛ возможно, если заметить, что
центральные проводники линий Л4, Л5, Л6 до вертикальной штрихо-
вой линии 1 эквипотенциальны, поэтому их можно соединить и заменить одной линией с волновым сопротивлением W/3 (см. рис. 6.18, б).
Точно так же объединяются отрезки линий Л5, Л6, расположенные
между вертикальными штриховыми линиями 1 и 2 (см. рис. 6.18, б).
Поскольку линии Л7, Л8, Л9 являются ФЛ, возникает желание
исключить их (см. рис. 6.18, в, г). А поскольку оплетки всех отрезков
при этом оказываются эквипотенциальными, их (оплетки) можно соединить вместе. Затем, чтобы уменьшить паразитные индуктивности
соединений выводов отрезков линий (слева и справа), просунуть соединенные отрезки через ферритовое кольцо (или намотать на кольцо), перегнув их при этом так, чтобы соответствующие выводы оказались рядом, а индуктивности соединений стали минимальными
(см. рис. 6.18, е). Вопросы минимизации рассогласований из-за различных сопротивлений источника, нагрузки и линий, а также изменения АЧХ в связи с несогласованностью фазовых сдвигов требуют отдельного рассмотрения [17].
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]